Şaşırtıcı bir şekilde, kuantum davranışının maddedeki tezahürüne, özellikle de manyetizmaya ilişkin tartışmalar, mıknatıs taşlarının demiri çektiğini gözlemleyen M.Ö. 600 civarındaki antik Yunan filozoflarına kadar uzanmaktadır. 12. yüzyıla gelindiğinde, bu şaşırtıcı gözlem bir uygulamada kullanılabiliyordu: navigasyon. Bu, kuantum dünyasının günlük dünyamızdaki uygulamaları yönlendirmesinin eski bir örneğidir.
Günümüze geldiğimizde, bu kuantum materyalleri atomik düzeyde manipüle etme ve işlevlerini tasarlama becerimizde bir dönüşüme tanık oluyoruz ve bu da enerji nakli, tıbbi algılama ve bilgi işleme gibi alanlarda önemli ilerlemelere yol açıyor.
Kuantum madde, elektronların etkileşime girdiği ve kuantum mekaniği ilkeleri tarafından yönetilen benzersiz ve ortaya çıkan özelliklere yol açan malzemeleri kapsar. Bu etkileşim halindeki elektronlar, kullanıldıklarında topluma doğrudan fayda sağlayacak yeni uygulamalar için potansiyele sahip davranışlar sergilemektedir.
Kuantum mekaniği, bu materyallerin davranışını açıklayan teorik çerçeve olarak hizmet etmektedir. Kuantum mekaniğinin temelleri, 1900'lerin başında teorik fiziğin önde gelen isimleri tarafından atılmış ve atomik dünyanın kesinlikten ziyade belirsizliklerle yönlendirildiği, algıladığımız gerçeklikten çok farklı bir dünya tasvir edilmiştir. Bu kavramı kavramak, teorinin yaratıcıları için bile zorluk teşkil etse de, deneyler yoluyla dikkat çekici derecede yüksek hassasiyetle defalarca doğrulanmıştır.
Günlük Kuantum Materyalleri
Kuantum materyallerini günlük hayatımızda nerede bulabiliriz? Bunun en basit cevabı her yerdir. Dizüstü bilgisayarlarımızdaki veri depolama, TV'lerimizdeki canlı ekranlar ve MRI tarayıcılarına güç veren süper iletken mıknatısların tümü kuantum mekaniği ilkeleri tarafından yönetilen elektronlara dayanmaktadır.
Örneğin, Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) makineleri, hidrojen çekirdeği olarak da bilinen protonun kuantum özelliklerine, daha spesifik olarak da protonun spinine dayanır. Spin, dünyanın manyetik alanını izleyen pusulaya benzer şekilde, büyük bir manyetik alanda hizalayabileceğimiz kuantum mekaniksel bir özelliktir. Az miktarda ek enerji eklemek bu hizalanmış spinlerin rezonansa girmesine neden olur. Rezonansları manyetik alana ve uyarılan çekirdeğe duyarlıdır. Ek enerjiyi kaldırdığınızda çekirdekler gevşer ve radyo dalgaları yayar. İşte bu radyo dalgaları daha sonra vücudumuzda bulunan hidrojenin tanıdık MRI görüntülerini oluşturmak için kullanılır.
MRI makineleri ayrıca Dünya'nın manyetik alanından birkaç yüz bin kat daha güçlü manyetik alanlara ihtiyaç duyar. Daha yüksek alanlar görüntülerde daha fazla ayrıntı sağlar. Bu alanın geleneksel metallerle üretilmesi, elektriksel ısınma nedeniyle büyük enerji kayıplarına yol açan büyük akımlar gerektirir.
Süperiletkenlik, elektronların bir materyal boyunca herhangi bir direnç ve dolayısıyla kayıp olmadan ilerleyebildiği bir kuantum olgusudur. Bu nedenle süper iletken materyaller, minimum kayıpla gereken güçlü alanları sağlamak için MRI tarayıcılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak şu an itibariyle bu materyaller yalnızca son derece düşük sıcaklıklarda çalışmakta ve bu soğuk koşulları korumak için büyük miktarlarda enerji tüketilmesi gerekmektedir. Bu tür olgulardan oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda yararlanılabilseydi, bu materyaller dönüştürücü olabilirdi. Örneğin, güç aktarımı çok uzak mesafeler arasında herhangi bir kayıp olmadan gerçekleşebilir ve yüksek verimli enerji üretimi ve yüksek hızlı havalanan trenlerin hepsi çok daha rutin hale gelebilir.
Kuantum Malzeme Mücadelesi
Pek çok kuantum fenomeni yalnızca aşırı soğuk sıcaklıklarda, Dünya'da doğal olarak meydana gelenlerden çok daha soğuk sıcaklıklarda ortaya çıkma eğilimindedir. Sonuç olarak, bu arzu edilen özelliklerin pratik uygulamalara aktarılması önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Elektronlar arasındaki karmaşık etkileşimler hassas ve duyarlıdır, karşılaştığımız sıcaklıklarda tipik olan enerji seviyeleri tarafından kolayca bozulur. Eğer materyalleri bu tür gereklilikleri ortadan kaldıracak ya da bu tür gereklilikler etrafında çalışacak şekilde tasarlayabilirsek, bu bütün bir uygulama dünyasının kilidini açabilir. Bazı açılardan, bu tür materyaller ve uygulamalar kuantum maddenin sadece bazı özelliklerinden yararlanmaktadır – Kuantum 1.0 da diyebilirsiniz.
Kuantum 2.0, kuantum materyallerinin süperpozisyon ve dolanıklık gibi diğer özelliklerinden de yararlanacaktır. Muazzam bir potansiyele sahip olan ve bu özellikleri kullanan medyanın ilgisinin giderek arttığı bir alan da kuantum hesaplamadır. Kuantum hesaplama, kuantum dünyasının 'tuhaflığından' yararlanarak hesaplama yeteneğimizi muazzam bir şekilde geliştirmeyi amaçlamaktadır.
Kuantum bilgisayarların finansal modelleme, ilaç keşfi, iklim modelleme, bilgi şifreleme ve hatta kuantum sistemlerinin simülasyonu gibi birçok alanda klasik bilgisayarlardan çok daha iyi performans göstermesi beklenmektedir. Süper iletken kuantum bitleri ya da kübitler, kuantum hesaplamada en önde gelen güncel teknolojilerden biridir. Süperiletken kübitler, geleneksel bir bilgisayarın ikili 'birler ve sıfırlar'ının aksine, süperpozisyon olarak da bilinen çoklu durumlarda var olma ve bu kübitleri birleştirmek ve hesaplama güçlerini katlanarak artırmak için dolaşıklığı kullanma yeteneğine sahiptir.
Bu hedefleri gerçekleştirmenin önünde pek çok zorluk var. Kuantum durumları kırılgandır ve dekoherans olarak bilinen hassas dengelerini bozabilecek rahatsızlıklara karşı hassastır. Düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyarlar, hatalara karşı toleransları düşüktür ve karmaşık hesaplamalar yapmak için gereken seviyeye kadar ölçeklendirilmeleri zordur.
Bununla birlikte, sahip oldukları büyük potansiyel, büyük yatırım ve heyecanı açıklamaktadır. Şu anda, süper iletkenler de dahil olmak üzere çok çeşitli teknolojiler geliştirilmektedir. Yine de bunlar, kuantum hesaplamanın tüm potansiyelini ortaya çıkarmanın anahtarını taşıyabilecek materyallerin yalnızca bir kısmını temsil ediyor.
Yeni Nesil Materyalleri Keşfediyoruz
Bu tür materyalleri geliştirmek için atomik ölçekte temel bir anlayışa ihtiyacımız var. Artık mıktanıs taşının esas olarak bilinen bir kimyasal formüle (Fe2O3) sahip hematitten oluştuğunu biliyoruz. Bileşen atomların nerede bulunduğunu, manyetik ve elektronik yapılarını biliyoruz. Toplumun yararına kullanılabilecek yeni nesil malzemeleri keşfetmek ve tasarlamak istiyorsak, bu derin anlayış çok önemlidir.
Mantığa aykırı bir şekilde, materyalleri bu kadar küçük atomik ölçeklerde incelemek büyük ölçekli altyapı gerektiriyor. Oxford'daki ISIS Neutron and Muon Source bunun bir örneği olup, malzemeleri atomik ölçekte incelemek ve davranışları hakkında benzersiz bilgiler ortaya çıkarmak için yoğun parçacık demetleri kullanmaktadır.
Bu benzersiz ve kesin bilgi, teorileri titizlikle test etmemize, malzeme iyileştirmelerine rehberlik etmemize ve yeni materyal sınıflarının keşfini desteklemek için makine öğrenimi için gereken büyük veri kümelerini toplamamıza olanak tanır.ISIS tesisi tek bir yıl içinde binden fazla benzersiz deney gerçekleştirecektir.
Böyle bir tesisin önemli bir faydası, doğal olarak, bu kuantum materyallerin uygulamalarına kadar yeni temel anlayışlar sağlayabilecek geniş bir yelpazedeki uluslararası lider uzmanlığı bir araya getirmek için bir odak görevi görmesidir.
Kuantum materyallere olan büyük ilgi ve yatırım artışı, sıfır kayıplı enerji depolama ve taşıma sistemleri, minimum enerji tüketen yüksek verimli elektronikler, sağlık hizmetleri için kuantum algılama, etkili katı hal soğutması ve kuantum hesaplamanın sınırsız potansiyelini içeren cazip bir gelecek vizyonu sunmaktadır. Bu teknolojiler, toplumun temiz büyüme ve net sıfır karbon ayak izine ulaşma hedefleri açısından büyük önem taşımaktadır.